Question

8．尿素是蛋白質(zhì)代謝的產(chǎn)物，也是重要的化學(xué)肥料．工業(yè)合成尿素反應(yīng)如下：2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）
（1）在一個(gè)真空恒容密閉容器中充入CO₂和NH₃發(fā)生上述反應(yīng)合成尿素，恒定溫度下混合氣體中的氨氣含量如圖1所示．

①A點(diǎn)的正反應(yīng)速率v正（CO₂）＞B點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v逆（CO₂）（填“＞”、“＜”或“=”）；
氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率為75%．
②關(guān)于上述反應(yīng)的平衡狀態(tài)下列說法正確的是B
A．分離出少量的尿素，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率將增大
B．平衡時(shí)再充入一定量H₂O（g），CO₂的轉(zhuǎn)化率增大
C．NH₃的轉(zhuǎn)化率始終等于CO₂的轉(zhuǎn)化率
D．加入有效的催化劑能夠提高尿素的產(chǎn)率
（2）合成尿素的反應(yīng)在進(jìn)行時(shí)分為如下兩步：
第一步：2NH₃（l）+CO₂（g）?H₂NCOONH₄（l） （氨基甲酸銨）△H₁
第二步：H₂NCOONH₄（l）?H₂O（l）+H₂NCONH₂（l）△H₂
某實(shí)驗(yàn)小組模擬工業(yè)上合成尿素的條件，在一體積為0.5L密閉容器中投入4mol氨和1mol二氧化碳，實(shí)驗(yàn)測得反應(yīng)中各組分隨時(shí)間的變化如圖2所示：
①已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應(yīng)的快慢由第2步反應(yīng)決定，總反應(yīng)進(jìn)行到55 min時(shí)到達(dá)平衡．
②反應(yīng)進(jìn)行到10min時(shí)測得CO₂的物質(zhì)的量如圖所示，則用CO₂表示的第一步反應(yīng)的速率v（CO₂）=0.148mol/L•min．
③第二步反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度的變化如圖3所示，則△H₂＞0（填“＞”“＜”或“=”）
④第一步反應(yīng)的△S＜0（填“＞”、“＜”或，“=”），在較低（填“較高”或“較低”）溫度下有利于該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行．
（3）氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，酸性條件水解更徹底．將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7（室溫下，忽略溶液體積變化），共用去0.052mol氨基甲酸銨，此時(shí)溶液中幾乎不含碳元素．此時(shí)溶液中c（NH₄⁺）=0.1mol/L；NH₄⁺水解平衡常數(shù)值為4×10^-9．

Answer 1

分析 （1）①圖象分析氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點(diǎn)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于B點(diǎn)的正反應(yīng)速率；依據(jù)氨氣的體積分?jǐn)?shù)結(jié)合平衡三段式列式計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率；
②A．因?yàn)榘被�甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動(dòng)；
B．氨基甲酸銨為固體，平衡時(shí)再充入一定量H₂O（g），相當(dāng)于對原平衡體系加壓；
C．轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)物的起始的量有關(guān)，據(jù)此分析；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動(dòng)，由此進(jìn)行判斷；
（2）①已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，結(jié)合圖象變化趨勢，圖象表達(dá)反應(yīng)的判斷，反應(yīng)快慢可以依據(jù)第一步和第二步反應(yīng)的曲線斜率比較大小；當(dāng)氨基甲酸銨，尿素物質(zhì)的量不再變化時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡；
②分析圖象計(jì)算10分鐘時(shí)二氧化碳的消耗物質(zhì)的量，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)速率概念計(jì)算得到；
③依據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)意義和計(jì)算分析判斷平衡移動(dòng)方向；
④根據(jù)第一步的方程式可知，反應(yīng)物中有氣體，生成物中沒氣體，所以△S＜0，根據(jù)△G=△H-T△S判斷；
（3）根據(jù)氨基甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，將氨基甲酸銨粉末逐漸加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒計(jì)算c（NH₄⁺），根據(jù)NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+OH^-結(jié)合K=$\frac{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）c（H{\;}^{+}）}{c（NH{\;}_{4}{\;}^{+}）}$進(jìn)行計(jì)算；

解答 解：（1）①氨氣的體積分?jǐn)?shù)從50%變化為20%后體積分?jǐn)?shù)保持不變，說明B點(diǎn)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)氨氣體積百分含量大于B的氨氣體積百分含量，說明反應(yīng)正向進(jìn)行達(dá)到平衡狀態(tài)，A點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于B點(diǎn)的正反應(yīng)速率，故v_正（CO₂）＞v_逆（CO₂）；
設(shè)氨氣為50mol，二氧化碳為50mol，氨氣消耗的物質(zhì)的量x，開始氨氣體積分?jǐn)?shù)為50%，則
             2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（s）+H₂O（g）
起始量（mol） 50       50        0               0
變化量（mol） x     0.5x        0.5x             0.5x
平衡量（mol） 50-x   50-0.5x    0.5x             0.5x
平衡時(shí)氨氣的體積分?jǐn)?shù)為20%，故$\frac{50-x}{50-0.5x+50-x+0.5x}$=20%；解得x=37.5mol，
故氨氣的平衡轉(zhuǎn)化率=$\frac{37.5mol}{50mol}$=75%，
故答案為：＞；75%；
②A．因?yàn)榘被�甲酸銨為固體，分離出少量的氨基甲酸銨，平衡不移動(dòng)，所以反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不變，故A錯(cuò)誤；
B．氨基甲酸銨為固體，平衡時(shí)再充入一定量H₂O（g），相當(dāng)于對原平衡體系加壓，則CO₂的轉(zhuǎn)化率增大，故B正確；
C．轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)物的起始的量有關(guān)，所以NH₃的轉(zhuǎn)化率不一定等于CO₂的轉(zhuǎn)化率，故C錯(cuò)誤；
D．催化劑只改變速率，不改變平衡移動(dòng)，所以加入有效的催化劑不能夠提高氨基甲酸銨的產(chǎn)率，故D錯(cuò)誤；
故選：B；
（2）①由圖象可知在15分鐘左右，氨氣和二氧化碳反應(yīng)生成氨基甲酸銨后不再變化發(fā)生的是第一步反應(yīng)，氨基甲酸銨先增大再減小最后達(dá)到平衡，發(fā)生的是第二步反應(yīng)，從曲線斜率不難看出第二步反應(yīng)速率慢，所以已知總反應(yīng)的快慢由慢的一步?jīng)Q定，則合成尿素總反應(yīng)的快慢由第二步?jīng)Q定，由圖象變化可知當(dāng)進(jìn)行到55分鐘時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，
故答案為：2；55；
②依據(jù)圖象分析，二氧化碳再進(jìn)行到 10min時(shí)物質(zhì)的量為0.26mol，所以此時(shí)的反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1mol-0.26mol}{0.5L}}{10min}$=0.148mol/L•min，
故答案為：0.148mol/L•min；
③第二步反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度的升高增大，說明反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，△H₂＞0，
故答案為：＞；
④根據(jù)第一步的方程式可知，反應(yīng)物中有氣體，生成物中沒氣體，所以△S＜0，根據(jù)△G=△H-T△S可知，溫度較低時(shí)，△G可能小于0，即反應(yīng)可以自發(fā)，
故答案為：＜；較低；
（4）因?yàn)榘被�甲酸銨極易水解成碳酸銨，即反應(yīng)式為NH₂COONH₄（s）+H₂O?（NH₄）₂CO₃，加入1L0.1mol/L的鹽酸溶液中直到溶液pH=7并且溶液中幾乎不含碳元素，所以溶液中只有H⁺、NH₄⁺、OH^-、Cl^-，根據(jù)電荷守恒c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.1mol/L，又用去0.052mol氨基甲酸銨，所以開始溶液中的銨根離子濃度為0.052mol/L×2=0.104mol/L，
          NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺；
開始  0.104mol/L          0        
轉(zhuǎn)化  0.004mol/L        0.004mol/L 
平衡   0.1mol/L         0.004mol/L   
又溶液為pH=7，所以氫離子濃度為10^-7mol/L，則NH₄⁺水解平衡常數(shù)K=$\frac{c（NH{\;}_{3}•H{\;}_{2}O）c（H{\;}^{+}）}{c（NH{\;}_{4}{\;}^{+}）}$=$\frac{0.004×1{0}^{\;}{\;}^{-7}}{0.1}$=4×10^-9，
故答案為：0.1mol/L；4×10^-9．

點(diǎn)評 本題考查了化學(xué)平衡、及轉(zhuǎn)化率的相關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡的移動(dòng)原理等知識(shí)，圖象分析反應(yīng)的進(jìn)行程度，掌握基礎(chǔ)，分析題干是解題關(guān)鍵，題目難度中等．